生物氧化与能量代谢药学院

1、生物氧化与能量代谢医学院生化教研室医学院生化教研室 陈万群陈万群2* 生物氧化生物氧化与与体外氧化之相同点体外氧化之相同点（重点）：（重点）： 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。）和释放能量均相同。3w是在细胞内温和的环境中（体是在细胞内温和的环境中（体温，温，pH接近中性），在一系列接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利

2、于有利于机体捕获能释放有利于有利于机体捕获能量，提高量，提高ATP生成的效率。生成的效率。wH2O由物质氧化时脱下的氢通过由物质氧化时脱下的氢通过呼吸链，经多步酶促氧化还原呼吸链，经多步酶促氧化还原反应，最后与氧结合产生。反应，最后与氧结合产生。 有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2。* 生物氧化与体外氧化之不同点 重点）：重点）： 生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w能量是突然释放的。能量是突然释放的。 w产生的产生的CO2、H2O由物质由物质中的碳和氢直接与氧结中的碳和氢直接与氧结合生成。合生成。脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质

3、蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油糖糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放，释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位生物体内能量产生的三个生物体内能量产生的三个阶段阶段高能磷酸化合物高能磷酸化合物（重点）：（重点）： 一、基本概念：一、基本概念：生化

4、反应中，在水解时或生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（基团转移反应中可释放出大量自由能（20.9220.92千千焦焦/ /摩尔）的磷酸化合物称为高能化合物。摩尔）的磷酸化合物称为高能化合物。6二、高能化合物的类型二、高能化合物的类型7三、三、ATP-ATP-能量载体能量载体（重点（重点,2011年考简答）：年考简答）： ATP作为生物能的特点：作为生物能的特点： 生物体内释放的能量大多用于生物体内释放的能量大多用于ATP的生成。的生成。 生物体利用能量直接来源于生物体利用能量直接来源于ATP。 ATP在体内具有极高的转换率。在体内具有极高的转换率。ATP水解释放能量的特点水

5、解释放能量的特点 ATP ADP + Pi ATP AMP + PPiATP是物质代谢中间转换、磷酸基团转移的是物质代谢中间转换、磷酸基团转移的“共共同中间体同中间体”。PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油9磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。四、能量的储存和转移四、能量的储存和转移10核苷二磷酸激酶的作用（能量转移核苷二磷酸激酶的作用（能量转移)AT

6、P + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP11定义定义代谢物脱下的成对氢原子（代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链又称电子传递链(electron transfer chain)。在呼吸链中，酶和辅酶按一定在呼吸链中，酶和辅酶按一定的顺

7、序排列在的顺序排列在线粒体的内膜线粒体的内膜*上。上。组成：组成：递氢体和电子传递体（递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 呼吸链呼吸链*（电子传递链或电子传递系统）（电子传递链或电子传递系统）第四节第四节 线粒体电子传递系统线粒体电子传递系统（重点）：（重点）：12NAD+和和NADP+的结构的结构R=H, NAD+ R=H2PO3, NADP+一、电子传递体一、电子传递体RNAD+和和NADP+13NAD+（NADP+）和）和NADH（NADPH）相互转变）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。14FMN和和FAD都含都含异

8、咯嗪环异咯嗪环，起到传递氢的作用。，起到传递氢的作用。黄素蛋白（以黄素蛋白（以FMN或或FAD为辅基）为辅基）15铁硫蛋白铁硫蛋白中辅基铁硫簇中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。反应传递电子。泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊二烯连接由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。时可生成中间产物半醌型泛醌。16细细 胞胞 色色 素素细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子细胞色素是一类以铁卟啉

9、为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。1718复合体复合体I NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶复合体复合体II 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶复合体复合体III 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶复合体复合体IV 细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) （重点）：（重点）： 191. 复合体: NADH-泛醌还原酶u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-S 202.

10、复合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸- -泛醌还原酶泛醌还原酶u 功能功能 将电子从琥珀酸传递给泛醌将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFAD; Fe-S; Cytb56021223. 复合体复合体: 泛醌泛醌-细胞色素细胞色素c还原酶还原酶 u 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c123244. 复合体复合体: 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 25

11、Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-261. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2三、三、呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序（重点）：（重点）： 27NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链28第五节第五节 氧化磷酸化氧化磷酸化（重点）：（重点）： * 定义定义氧化磷酸

12、化氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，磷酸化，生成生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化。偶联磷酸化。 将底物的高能磷酸基直接转移给将底物的高能磷酸基直接转移给ADPADP生成生成ATP,ATP,这种这种ADPADP或其它核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用或其它核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程，称为直接相偶联的反应过程，称为底物水平磷酸化底物水平磷酸化。( ( substrate level phosphorylation substrate level phos

13、phorylation ) )29（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位：氧化磷酸化偶联部位：复合体复合体、根据自由能变化和根据自由能变化和P/O比值比值*P/O比值：每消耗比值：每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的摩氧原子所消耗的无机磷酸的摩尔数，尔数， 亦指每消耗亦指每消耗1mol氧原子所产生氧原子所产生ATP的摩尔数。的摩尔数。（重点）：（重点）：30线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2

14、.42.8 3Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 131ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电子传递链自由能变化电子传递链自由能变化区段区段电位变化电位变化(E)自由能变化自由能变化G=-nFE能否生成能否生成ATP(G是否大于是否大于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.

15、21V 40.5KJ/mol 能能32（二）（二） 氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理（重点）：（重点）： 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生内膜内外质子体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生内膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 33线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+

16、Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图342. ATP合酶（合酶（F1F0ATP合酶）合酶）F1：亲水部分，亲水部分，具催化功能。具催化功能。F0：疏水部分，：疏水部分， 质子回流通道。质子回流通道。ATP合酶结构模式图合酶结构模式图35三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素（重点）：（重点）： 1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷

17、酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 （一）抑制剂（一）抑制剂36鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点37解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 38 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图

18、39（二）（二）ADP的调节作用的调节作用呼吸控制率呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)（三）甲状腺激素（三）甲状腺激素Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体（四）线粒体DNA突变突变 与线粒体与线粒体DNA病及衰老有关。病及衰老有关。40四、线粒体外四、线粒体外NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化（重点）：（重点）： 胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-g

19、lycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)411. - -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制（脑、骨骼肌）（脑、骨骼肌） 42 NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间隙膜间隙 线粒体线粒体 基质基质-磷酸甘油磷酸甘油 脱氢酶脱氢酶 呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH2OH C=O-磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH432. 苹果酸苹果酸-

20、 -天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制（肝、心肌）（肝、心肌）44一、需氧脱氢酶和氧化酶一、需氧脱氢酶和氧化酶 受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 H2O受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅 FMN FMN、FADFAD、NADNAD等等需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 Cu,Fe等金属离子等金属离子2O第六节第六节 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系The Others Oxidation Enzyme Systems45（

21、二）过氧化物酶（二）过氧化物酶(perioxidase)：以血红素为辅以血红素为辅基，催化基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物直接氧化酚类或胺类化合物. . R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶过氧化物酶 二、过氧化物酶体中的酶类二、过氧化物酶体中的酶类 （一）过氧化氢酶（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含又称触酶，其辅基含4 4个血红素个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 46反应氧族反应氧族(ROS,Reactive oxygen species) 超氧负离子超氧负离子(O2)、H2O2、羟自由基、羟